電解制氫耦合高值化學品制備研究獲進展

氫氣既是能源載體又是工業氣體。氫氣根據其制備過程的排放情況，分為灰氫、藍氫和綠氫，分別表示化石燃料制氫、工業副產氫和可再生能源制氫。當前，電解水制氫技術是重要的綠氫制備方法，但因陽極析氧反應動力學過程緩慢、過電位高等問題，使得整體能量轉換效率偏低，制氫成本較高。這一技術瓶頸制約了綠氫的大規模商業化應用。因此，亟需開發新型高效催化劑、優化反應體系或探索替代性制氫技術。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所科研團隊致力于電解制氫催化劑的研究。面向電解制氫陽極析氧反應能壘高、動力學緩慢和陽極產物價值低的難題，該研究采用甘油電氧化反應替代析氧反應，降低電解制氫的能耗同時能夠獲得高附加值化學品。針對甘油氧化反應路徑多、產物復雜且選擇性低等挑戰，研究基于理性材料設計發展了高熵催化劑（PtCuCoNiMn）。該催化劑可實現在0.2 A cm^-2下高選擇性制備甘油酸。研究還搭建了一套小型電解槽，通過間歇電解實現了0.2 A高電流密度下催化劑的穩定運行。原位譜學表征發現，Pt為催化位點，其甘油氧化為甘油酸的反應路徑是端羥基的活化與H解離→中間體甘油醛的生成→甘油醛至甘油酸的電氧化轉化。密度泛函理論計算發現，甘油醛脫水反應的難易程度是決定是否產生乳酸的關鍵環節。Cu的引入在熱力學上抑制了副產物乳酸的生成，在動力學上促進了目標產物甘油酸的生成，而Co、Ni、Mn可調節催化表面氧化態以保護Pt活性位點。

該研究發現通過構建高熵表面來定制催化劑/電解質界面的催化位點是電化學催化的有效策略之一。

相關研究成果以Nanoscale high-entropy surface engineering promotes selective glycerol electrooxidation to glycerate at high current density為題，發表在《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）上。研究工作得到國家重點研發計劃、科技創新2030-重大項目、國家自然科學基金以及浙江省和寧波市相關項目等的支持。